[0001] L'invention concerne un procédé de réalisation de dispositifs semiconducteurs incluant
au moins une étape de gravure ionique réactive d'undit substrat constitué par un agencement
choisi parmi :
- une plaquette massive d'un composé semiconducteur de formule générale Ga
1-xAs
xIn
1-yP
y,
- une succession de couches de composés semiconducteurs, chacun de formules générales
Ga
1-xAs
xIn
1-yP
y, dans lesquelles x et y sont les concentrations et sont comprises entre 0 et 1, ce
procédé comprenant pour la mise en oeuvre de cette gravure un système de masquage
dudit substrat coopérant avec un flux de gaz réactants.
[0002] L'invention trouve son application dans la réalisation de dispositifs intégrés sur
des matériaux A
III-B
V, et notamment des dispositif opto-électroniques en des composés III-V incluant l'élément
In.
[0003] En effet, le matériau InP et les autres composés III-V, notamment les composés III-V
contenant l'élément In sont considérés comme des matériaux très attractifs pour réaliser
les dispositifs opto-électroniques intégrés, fonctionnant à des longueurs d'onde
élevées telles que 1,3µm et 1,55µm qui sont les standards actuels en télécommunication.
[0004] Mais, pour mettre en oeuvre ces dispositifs intégrés, il s'est avéré indispensable
de mettre au point des techniques de gravure sèche, qui sont seules appropriées à
permettre l'obtention de motifs microniques ou submicroniques.
[0005] Il est notamment demandé à ces méthodes de gravure sèche de fournir :
- des motifs à haute résolution,
- des motifs reproductibles,
- l'anisotropie de la gravure dans toutes les directions cristallographiques,
- la conservation de la morphologie de surface.
[0006] Des méthodes de gravure sèche par "gravure ionique réactive" ci-après dénommée RIE
sont connues de l'état de la technique.
[0007] D'une façon générale, ces méthodes connues portent sur :
a) une technique de formation d'un masque pour permettre la gravure des motifs dans
les ouvertures du masque ;
b) une associaiton de gaz réactants, ou un gaz réactant, qui coopère avec le choix
des matériaux constituant le masque, pour réaliser une gravure sélective, c'est-à-dire
réaliser la gravure du matériau masqué, typiquement un matériau III-V, contenant In,
sans détériorer le masque.
[0008] En opto-électronique, les problèmes qui se posent actuellement, consistent généralement
à chercher à réaliser des motifs submicroniques gravés sur une grande profondeur,
au moins supérieure à 3 µm et le plus souvent de l'ordre de 7 µm.
[0009] Ces problèmes se posent dans le cas où l'on veut réaliser des guides courbes enterrés,
présentant dans la partie courbe un sillon gravé destiné au confinement latéral.
Ces problèmes se posent encore lorsque l'on veut réaliser un miroir constitué par
un sillon formant une lame à faces parallèles disposé en travers de la section d'un
guide de lumière enterré. Dans ce cas, il est particulièrement important d'obtenir
un sillon gravé qui présente des flancs de gravure totalement plans, lisses et perpendiculaires
à l'axe du guide, c'est-à-dire au substrat.
[0010] De tels dispositifs sont décrits dans la publication intitulée "Probleme der topographie
integriert optisher schaltungen" par Karl-Heinz TIETGEN dans "2213 Frenquenz, Vol.
35 (1981), sept n° 9, Berlin, Deutschland", publication qui n'enseigne pas de procédé
de réalisation des dispositifs cités.
[0011] Ces problèmes se posent aussi, dans le cas de la réalisation de dispositifs opto-électroniques
ou électroniques enterrés, où l'on veut obtenir l'accès à des couches profondes des
dispositifs, par exemple l'accès au substrat lorsqu'il est recouvert d'un certain
nombre de couches épitaxiales. Dans ce cas, il est particulièrement important d'obtenir
un fond du puit de gravure très plan et très lisse, car ce plan est généralement
destiné à servir de base pour de nouvelles couches épitaxiales.
[0012] Enfin, bien que les composés dits III-V présentent de nombreuses ressemblances, ils
présentent aussi vis-à-vis des gaz réactants qui peuvent être utilisés en gravure
sèche, de nombreuses dissemblances de nature chimique, qui sont dues notamment au
fait qu'un de leurs éléments peut former, avec le gaz réactant en question, un composé
volatil.
[0013] C'est pourquoi l'enseignement tiré de l'état de la technique, applicable à un composé
III-V particulier, n'est pas systématiquement transposable à un autre composé III-V.
[0014] Un procédé de réalisation mettant en oeuvre une gravure sèche, du type RIE, visant
à obtenir toutes les caractéristiques citées plus haut, est connu de la publication
intitulée " A Novel Process for RIE on InP, using Ch₄/H₂ par U. Niggebrügge, M. Klug,
G. Garus dans "Inst-Phys. Conf. Ser. n° 79, chapter 6, paper presented at Int. Symp.
GaAs and related compounds, KARUIZAWA, JAPAN - 1985".
[0015] Ce document décrit un procédé pour réaliser la gravure sèche par RIE du composé InP,
utilisant le mélange de CH₄ et H₂ comme gaz réactants. Ce mélange est utilisé pour
éviter les problèmes de corrosion du système à vide, et surtout parce que ces gaz
permettent d'obtenir un taux de gravure du matériau InP de grandeur raisonnable. Avec
des paramètres optimisés du mélange de gaz et de leurs conditions d'application,
la méthode décrite permet d'obtenir des flancs de gravure présentant peu de rugosité
et une pente de 85%, lors de la réalisation de guides à ruban.
[0016] Ces résultats on été obtenus par la coopération entre le choix des gaz réactants
CH₄/H₂ avec un procédé de masquage consistant en la formation, pour les gravures profondes,
d'une couche de SiO₂, qui peut être recouverte de photorésist, ou en la formation
d'une couche de photorésist seule pour les gravures de faible profondeur. Cette publication
enseigne l'effet étonnant de cette coopération gaz-masque qui consiste dans la formation
en surface du masque d'une couche d'hydrures et de polymères, résultant en un durcissement
du masque et en l'augmentation de sa résistance à l'érosion.
[0017] Ces éléments permettent d'éviter d'utiliser le chlore pur comme gaz réactant dans
la gravure d'InP. En effet, l'utilisation du chlore est un inconvénient dans la gravure
des composés contenant de l'indium, du fait qu'il réagit fortement avec l'indium
et ne permet pas de contrôler correctement la gravure de ces composés.
[0018] D'autre part, l'effet étonnant de la formation d'une couche de durcissement d'hydrures
en surface du masque en diélectrique permet d'éviter l'érosion latérale du masque,
qui évidemment conduit, lorsqu'elle existe, à l'attaque de la partie supérieure des
flancs de gravure et donc à une pente des flancs de gravure.
[0019] Malgré ces conditions optimisées et l'effet étonnant opéré sur le masque, les résultats
obtenus par le procédé enseigné par cette publication ne sont pas suffisamment bons
pour être applicables à la réalisation de dispositifs électrooptiques où l'on recherche
une profondeur de gravure d'au moins 7µm et des flancs de gravure absolument perpendiculaires
au substrat, pour des motifs submicroniques dans un composé III-V incluant l'indium
(In). Notamment, la pente des flancs de gravure otenue de 85 % selon cette publication,
est beaucoup trop importante si elle s'applique à des motifs submicroniques gravés
sur une profondeur de 7µm. Cela est dû au fait que, lors d'une gravure aussi prolongée
que celle qui permet d'obtenir une profondeur de 7µm, le masque en diélectrique est,
malgré la formation de la couche d'hydrures, assez fortement attaqué latéralement
pour entraîner que la pente des flancs de gravure devienne autre que 100 %. De plus,
on a relevé que le fond des puits gravés selon la méthode enseignée par le document
cité n'est pas suffisamment lisse pour permettre par exemple, le dépôt ultérieur d'autres
couches.
[0020] Un procédé de réalisation, mettant en oeuvre une gravure sèche, non pas du type RIE
mais d'un type voisin, visant à obtenir toutes les caractéristiques techniques citées
plus haut, mais appliquée à des composés autres que InP ou les composés contenant
In, est connu de la publication intitulée "GaAs and GaAlAs anisotropic fine pattern
etching using a new reactive ion beam etching system" par K. ASAKAWA and S. SUGATA,
dans "J. Vac. Sci-Technol. B3 (1), Jan/Feb 1985, 1985 C. American Vacuum Society,
pp. 402-405".
[0021] Ce document décrit un procédé pour réaliser une gravure sèche au moyen d'un dispositif
dit RIBE, par érosion ionique, utilisant le gaz Cl₂ pur pour graver les composés GaAs,
ou les hétérostructures GaAs/GaAlAs.
[0022] Ce document enseigne que les pricnipaux problèmes apparaissant lors de la gravure,
sont dûs à l'érosion du masque en cours de gravure. En conséquence, ce document décrit
la constitution d'un masque très élaboré, en trois couches. La première couche est
une couche en résine Az, recuite à 250°C. La seconde est une couche de titane, et
la troisième est une couche de résine Az recuite à 90°C. La complexité de ce masque
vise à éviter son érosion lors de la gravure dans le gaz Cl₂ pur. En effet, la couche
de résine Az, lorsqu'elle est recuite à 90°C est sensible à l'érosion lors de la gravure,
par contre lorsquelle est recuite à 250°C, elle devient très résistante. Cependant,
il existe de difficultés pour réaliser le recuit de la résine à 250°C. Ces difficultés
résident dans le fait que vers 135°C elle devient fluente. D'où la nécessité de la
couche de titane en surface de cette couche Az pour maintenir durant le recuit une
surface supérieure plane.
[0023] Cependant le document cité ne dévoile pas le procédé exact qui permet d'obtenir
la couche recuite à 250°C coexistant avec la couche de Ti et la couche recuite à 90°C.
Il y a tout lieu de croire que le procédé doit être fait pas à pas pour éviter la
présence de la troisième couche (à recuire à 90°C) lors du recuit de la première
couche à 250°C.
[0024] Et si cette publication enseigne que les résultats de gravure obtenus avec ce masque
en trois couches coopérant avec le gaz Cl₂ sont très bons pour GaAs et les composés
dépourvus d'indium, notamment les résultats concernant une profondeur de gravure
de 7µm, des flancs de gravure parfaitement perpendiculaires au substrat, des motifs
microniques, cette publication n'enseigne pas à obtenir ces mêmes résultats sur un
composé contenant l'indium (In). Or on a vu que l'on ne pouvait pas graver un tel
composé contenant l'indium au moyen de chlore pur.
[0025] D'autre part, il s'avère que la mise en oeuvre de ce masque en trois couches, sur
un plan industriel, procure un trop faible rendement de fabrication pour être envisagée,
ceci étant dû à la complexité de réalisation dudit masque.
[0026] C'est pourquoi, la présente invention vise à fournir un procédé de réalisation qui
permet d'obtenir des gravures profondes d'au moins 7µm, des flancs de gravure lisses
et parfaitement perpendiculaires au substrat, des motifs microniques, et même submicroniques
(0,7µm), applicable aussi bien aux composé III-V tels que GaAs qu'aux composés III-V
inclant l'élément In tels que InP.
[0027] Selon l'invention, ce but est atteint au moyen du procédé défini dans le préambule
de la revendication 1, caractérisé en ce que le système de masquage est formé d'une
première couche métallique de titane (Ti) de faible épaisseur, surmontée d'une seconde
couche métallique de Nickel (Ni) environ 10 fois plus épaisse, et en ce que le flux
de gaz réactants est formé du mélange des gaz Cl₂/CH₄/H₂/Ar, mélange dans lequel
Cl₂ est dans les proportions d'environ le quart de celles de CH₄ et Ar, en ce qui
concerne les pressions partielles dans la chambre de gravure.
[0028] L'invention sera mieux comprise au moyen de la description suivante illustrée par
les figures annexées dont :
- les figures 1a à 1f qui montrent en coupe simplifiée, un dispositif dans les différentes
étapes d'une gravure selon l'invention,
- la figure 2 qui montre en perspective une réalisation expérimentale mettant en
lumière les performances du procédé selon l'invention.
[0029] Comme on l'a dit plus haut, le but de l'invention est de fournir un procédé de masquage,
coopérant avec un ou des gaz réactants lors de la gravure, qui permet d'obtenir avec
un rendement de fabrication rentable industriellement, c'est-à-dire qui conduit à
réussir, avec un faible pourcentage de déchets :
- la gravure de tous composés III-V allant de GaAs à InP en passant par les composés
Ga
1-xIn
xAs
1-yP
y,
- des motifs de 0,5 à 1µm en moyenne 0,7µm,
- des profondeurs de gravure de 7µm au moins,
- des flancs de gravure parfaitement perpendiculaire au substrat (pente 100 %),
- des flancs lisses et des fonds de gravure lisses,
- des taux de gravure élevés, point important sur le plan industriel,
- des masques faciles à mettre en oeuvre,
- un procédé qui comporte le moins d'étapes possible, point également important sur
le plan industriel.
[0030] Ces buts sont atteints si l'on fait coopérer la formation d'un masque en deux couches
consistant en une couche 1 de titane (Ti) surmontée d'une couche 2 de nickel (Ni),
avec l'utilisation dans la méthode RIE de composés chlorés et non pas de chlore pur.
[0031] De préférence, l'invention sera mise en oeuvre par la succession des étapes décrites
ci-après :
[0032] a) Préparation d'une plaquette S d'un substrat à graver. Ce peut être toute plaquette
d'un composé semiconducteur du groupe III-V, de formule générale Ga
1-xIn
xAs
1-yP
y, où x et y sont des concentrations comprises entre 0 et 1 (voir la figure 1a). Ce
peut être aussi une alternance de couches de ces matériaux, réalisées par exemple
par épitaxie, et formant des homostructures ou des hétérostructures.
[0033] b) Réalisation au moyen d'une résine photosensible d'un masque M présentant des ouvertures
disposées en surface des régions du substrat qui doivent être protégées durant la
gravure ionique réactive ; ces ouvertures sont donc disposées dans les régions qui
seront ultérieurement masquées pour la RIE (voir la figure 1b).
[0034] Comme résines photosensibles on pourra choisir la Az4070, ou Az 5214, ou la RD 2000N,
car ces produits sont des laques négatives qui permettent d'éliminer les liserés habituels
des laques positives classiques. On lira à ce sujet avec profit, la publication de
"West and alii, Jour. Vac. Sci. Technol B5(1), 1987, pp 449-453".
[0035] Avec de telles résines, on peut définir par les méthodes de photolithographie connues
de l'homme du métier, des motifs de dimension 0,5 à 1µm.
[0036] On pourra réaliser, par exemple, à titre expérimental, des réseaux montrant des
sillons de 1,3µm de large séparés par des murs de 0,7µm d'épaisseur, ou bien le contraire,
ou bien des réseaux de murs et sillons alternés de l'ordre de lµm chacun, et d'une
manière générale des réseaux dont un élément est micronique ou submicronique, au
pas de l'ordre de 2µm.
[0037] Pour l'application aux circuits intégrés opto-électroniques toute autre forme de
motifs microniques ou submicroniques pourra alors être réalisée, grâce aux performances
obtenues.
[0038] Ainsi dans l'exemple de réalisation illustré par les coupes 1a à 1f, on a choisi
de faire un réseau montrant des sillons de W
S = 0,7µm et des murs de W
M = 1,3µm.
[0039] Dans l'exemple de réalisation illustrée par la figure 2 en perspective, on a au
contraire réalisé des sillons de W
S = 1,3 et des murs de W
M = 0,7µm. On a même réalisé un motif complexe où les murs tournent d'un angle de 90°.
[0040] Dans l'un et l'autre de ces exemples la profondeur de gravure est p = 7µm.
[0041] Ce motif est réalisé, à cette étape, en négatif, au moyen de la résine choisie, comme
montré sur la figure 1b. Pour graver des motifs submicroniques, l'épaisseur de la
résine déposée doit être e
M ≃ 0,7µm.
[0042] c) Dépôt par évaporation sous vide, au moyen d'un canon à électrons, d'une première
couche métallique 1 de titane (Ti) d'épaisseur e₁ comprise entre 30 et 50 nm, suivi,
dans la même chambre d'évaporation, en changeant simplement de cible, du dépôt d'une
seconde couche métallique 2 de nickel (Ni) d'épaisseur e₂ comprise entre 200 et 300
nm, c'est-à-dire environ 8 à 10 fois plus épaisse que la première couche métallique
1 (voir la figure 1c).
[0043] Cependant les épaisseurs e₁ et e₂ sont choisies pour que la somme des épaisseurs
e₁+e₂ < e
M, de manière à pouvoir attaquer aisément la couche M dans une étape ultérieure (voir
la figure 1c).
[0044] La superposition des deux couches métalliques 1 et 2 va constituer le système de
masquage pour l'étape de gravure ionique réactive, selon l'invention. Les avantages
de ce système de masquage sont :
- la simplicité de réalisation = une simple évaporation sous vide, en une seule opération,
de deux métaux courants, excluant des recuits critiques ou des opérations qui ne
s'enchaînent pas comme il était enseigné par l'état de la technique.
- la résistance mécanique à tout gaz réactant. Cet avantage apparaît à partir du document
cité qui enseigne que le titane est gravé par le chlore pur. Ici, la couche de titane,
placée en sous-couche, et dont le rôle sera décrit plus loin, est limitée à une très
faible épaisseur car le titane donne avec le chlore des composés TiCl₂ volatils. La
couche de nickel placée en couche supérieure, et dont l'épaisseur est prépondérante
puisque environ 10 fois supérieure à celle de la couche de titane, présente au contraire
une résistance à l'érosion très grande, notamment vis-à-vis du chlore, et aussi
bien à l'érosion verticale qu'à l'érosion latérale.
[0045] d) Elimination de la couche M en résine, par exemple par l'acétone à ébullition,
permettant le lifft-off des portions indésirables de couche 1 et 2, qui se sont déposées
en surface des portions de couche M (voir la figure 1d).
[0046] e) Gravure du matériau semiconducteur, dit substrat S, dans les ouvertures du masque
formé par les couches 1 et 2 superposées. Cette gravure est opérée selon l'invention
par une gravure de type RIE, connue en soi de l'homme du métier, au moyen de gaz qui
sont choisis selon l'invention dans le mélange suivant : Cl₂/CH₄/H₂/Ar,
ces gaz agissant aux pressions partielles de 1 - 4 - 24 - 4 pour chacun d'eux respectivement
dans le mélange.
[0047] La puissance est 120 watts.
[0048] La pression totale de gaz est 40 m torrs.
[0049] Ce mélange de gaz a été choisi spécialement pour coopérer avec la constitution des
couches 1 et 2 pour atteindre les buts de l'invention.
[0050] En effet comme on l'a vu, si l'on veut graver un composé contenant l'élément In,
l'emploi du chlore pur est exclu. Ce gaz employé à l'état pur n'est compatible qu'avec
la gravure de GaAs comme il est enseigné par le second document décrit au titre d'état
de la technique.
[0051] D'autre part, le choix de Ch₄/H₂ comme gaz de gravure d'InP et connu du premier
document cité conduit à des taux de gravure trop faibles pour les applications industrielles.
En fabrication, les taux de gravure doivent être élevés, sans que la rapidité de fabrication
ne nuise à la qualité. On verra que la sélection opérée selon l'invention dans les
concentrations ou pression partielle des gaz réactants conduit à un taux de gravure
élevé et en même temps à une qualité de fabrication excellente d'où un haut rendement
de fabrication.
[0052] La gravure peut être pratiquée sur une profondeur de 7µm sans nuire à la qualité
attendue (voir les figures 1e et 2).
[0053] f) Lifft-off des couches métalliques 1 et 2 formant le système de masquage précédemment
utilisé pour l'étape de gravure RIE. C'est dans cette étape de lifft-off que la couche
1 de titane joue un rôle. En effet, si le nickel formant la couche 2, est fort difficile
à éliminer par des acides choisis par ailleurs pour ne pas détériorer la surface du
substrat, en revanche la couche de titane, même recouverte de l'épaisse couche de
nickel, s'élimine en 3 à 10 mn dans l'acide fluorhydrique pur ou légèrement dilué,
et à température ordinaire. L'élimination de la couche 1 de titane entraine alors
l'élimination de la couche 2 de nickel (voir la figure 1f).
[0054] Vu le rôle joué par la couche de titane, l'invention peut être mise en oeuvre en
remplaçant, pour la couche 1, la titane par tout métal ayant les mêmes propriétés,
c'est-à-dire présentant un dépôt simple s'éliminant facilement dans l'acide fluorhydrique
ou un autre acide n'attaquant pas le substrat et présentant une résistance suffisante
au mélange de gaz Cl₂/CH₄/H₂/Ar utilisé pour l'étape de RIE.
[0055] De même le nickel peut être remplacé, pour constituer la seconde couche métallique
par tout métal ayant les mêmes propriétés à savoir la simplicité du dépôt et la grande
résistance à l'érosion par le mélange de gaz préconisé.